基于改进RABT升温曲线分析受火地铁隧道管片温度场

既有耐火试验标准升温曲线用于模拟地铁区间隧道火灾场景存在局限性。提出了改进RABT(IRABT)标准升温曲线模型,该模型基于既有耐火试验标准升温曲线,同时考虑了地铁区间隧道火灾的峰值温度、受火持时与升温速率等特征,且包含线性降温段,可设置降温时点,以描述实际火灾场景。采用结构抗火有限元分析软件SAFIR,对1/3缩尺地铁隧道管片的耐火试验进行了IRABT标准升温曲线下的数值模拟,获得了5种不同火灾工况下管片温度变化及截面温度场分布,所对应的IRABT模型分别为:峰值温度700℃与800℃,降温时刻为60min;峰值温度900℃,降温时刻分别为60、45、30min。模拟结果表明,进入降温阶段后,管片受火面20mm以上区域,温升仍将持续,且距离受火面越远,温升持续时间越长;距离受火面90mm以上至管片顶部,已没有明显降温段出现,该区域始终保持升温趋稳状态。降温开始30min后,受火面温度开始低于紧邻的管片内温度;受火试验结束的180min时刻,整个管片内部温度场峰值出现在距受火面40~60mm范围内。同一升温曲线降温时点越迟,则管片近受火面及顶面区域的最终温度越高。因此,对于实际地铁区间隧道火灾,应尽量在升温初期对火势加以有效控制,避免进入恒温传热阶段,可减轻管片混凝土传热破坏程度。该分析结果可为研究地铁隧道衬砌结构受火性能退化提供参考。     

多次冻融循环人工盐渍土路基模型试验研究∗

青藏铁路西宁至格尔木段为典型的季节性冻土区铁路,冻害频发,严重影响铁路的正常使用和安全运营,为了整治路基体发生冻害,结合成熟的注浆技术和传统撒盐法,提出注盐法整治路基冻害。在室内模型箱中填筑实体模型,进行封闭系统中多次冻融循环条件下人工盐渍土路基模型试验,探究人工盐渍土路基中温度、水分、盐分以及变形规律,验证注盐法整治路基冻害的可行性。试验结果表明：路基土体内温度变化趋势符合环境温度变化趋势的余弦函数变化波动规律,土体内温度变化较环境温度变化推迟36 h左右;温度梯度是引起水分迁移的主要因素,越接近冷端,迁移量越大,在冻结锋面处达到最大;在封闭系统中,盐分随着水分向冷端运移,但是盐分运移量较低,随着周期的推进,盐分呈逐渐降低的趋势;随着温度的周期性变化路基顶面的变形呈现出有规律的冻胀和融沉现象,但是最大冻胀量为0.08 mm,可见路基盐化之后路基土体基本不产生冻胀变形。     

冻融作用下非饱和土热水力耦合数值模拟

基于多孔介质力学建立非饱和土在冻结过程中的耦合方程并进行单向冻融过程的数值求解及模拟分析。把非饱和冻土当作固体土颗粒、未冻水、冰晶及孔隙气组成的多孔多相介质,在小变形假定下建立了考虑冰?水、水?水汽相变的非饱和冻土的质量守恒、动量守恒方程,以及能量方程、耗散不等式、热平衡方程。结合冻融过程中的渗透特性以及应力应变关系,对单向冻融条件下的非饱和土柱封闭系统进行了数值求解,计算结果表明冷端冻结温度的数值对非饱和土柱的顶部位移影响较大,而对温度场的分布规律以及冻结区的含水率分布影响较小。研究结果可为寒区非饱和土工程的设计和施工提供指导。     

冻土隧道动态信息反馈施工控制技术

为形成多年冻土区隧道动态信息反馈施工控制技术,主要研究了隧道施工冻融圈响应规律与控制要点。结果表明:喷射混凝土前,由洞内至围岩围岩内部,其温度逐渐下降。同一深度处围岩温度又会随时间缓慢增长;喷射混凝土后,尽管围岩越深部其温度逐渐降低,但浇筑混凝土产生的水化热对整个围岩温度场影响显著,总体来看,距离洞壁深度与水化热效果影响成反比,当深度超过2m,围岩受水化热作用轻微。喷射混凝土越晚,同一深度处围岩温度越高,冻融圈深度越大。     

带肋薄壁L形钢管混凝土柱温度场研究

为研究高温下带肋薄壁L形钢管混凝土柱的抗火性能,建立了该类构件的ABAQUS温度场计算模型,并用相关试验结果验证了模型的正确性。采用该模型对所设计构件进行温度场计算,结果表明:构件横截面温度场呈现明显梯度分布,由受火面向截面中心逐渐降低;截面阳角处温度较阴角处更高,且阳角附近高温区域面积较阴角处大;构件内部钢筋温度较受火面呈现明显滞后现象,且中心温度较两端降低幅度更大。分析了受火时间、加劲肋尺寸和构件截面尺寸对构件温度分布的影响,可知随着受火时间的延续,构件各部位温度以不同幅度升高;钢筋加劲肋直径对钢筋温度影响比较明显,但对钢管和混凝土温度影响较小;截面尺寸越大,构件同一位置温度越低。     

非均匀温度场中的单桩内力响应模型试验研究

浅层地温能开发利用在建筑地基中形成非均匀温度场,使桩基两侧的温度存在差异,并处于动态变化过程中,温差可能造成桩身产生弯曲变形。采用室内模型试验,构建非均匀温度场,研究在温度平衡过程中,土体温度场、桩身温度以及桩两侧应变的变化,分析非均匀温度场对桩身内力的影响。根据桩两侧的FBG应变分布可知,非均匀温度场会使桩身产生弯曲变形,沿深度桩身弯矩的分布与桩两侧的温差有关。因此,在应用地下能源结构或地源热泵开发利用浅层地温能时,应考虑非均匀温度场对结构内力的影响,开展相关研究对于揭示桩体内力的变化具有重要意义。     

钢框架房屋火灾消防过程温度场数值模拟研究∗

钢结构在火灾消防过程中容易遭到破坏甚至发生倒塌，而空间温度场是研究结构响应的基础。为了研究喷水消防对空间温度场的影响，建立了三层三跨钢框架房屋模型，在火灾动力学软件中利用水喷淋方式模拟了其消防灭火过程。分别研究了消防在火灾初期发展阶段和稳定燃烧阶段介入时，火源及框架平面附近的温度场分布与发展规律，对比分析了消防在不同火灾阶段介入后直接灭火跨与相邻跨的火场温度变化特性。研究结果表明：（1） 数值模拟结果与火灾消防试验结果吻合较好，验证了数值模型中采用水喷淋方式模拟喷水消防过程获得温度场的可行性；（2）消防在火灾初期发展阶段介入后，直接灭火跨的温度发生骤降，最大降幅约 350 ℃，约 20 s 后缓慢回升， 消防喷水有效减缓火灾发展进程，抑制空间温度与梯度发展，框架附近平面火场达到的最高温度相比无消防介入火灾低约 350 ℃；（3）消防在稳定燃烧阶段介入时，空间温度较高、温度梯度较大，消防介入后火场最高温度在 60 s 左右降低约 650 ℃，降温速率约 11 ℃/s，短时间内温度梯度变化剧烈；（4）与在稳定燃烧阶段介入相比，消防在火灾初期发展阶段介入可大幅降低火场最高温度，且使温度梯度变化比较缓和。     

桩端约束对桩身热力学特性影响的模拟分析

能量桩是一种在传递上部建筑荷载的同时承担地热能源传热器作用的新技术。实际运行过程中,桩身温度发生变化导致桩体膨胀或收缩;桩周及桩端土体对桩身的自由膨胀约束作用,使桩体内会产生附加应力。基于模型试验和数值模拟方法,开展冷-热温度循环荷载作用下桩基在不同桩端约束条件下的桩身应力和位移特性研究。结果表明,温度荷载作用下桩体最大应力出现在桩身中部;加热阶段桩端约束对桩身应力分布影响比制冷时大;桩身位移变化规律受温度与桩端约束的共同影响,温度变化量增加,桩身上部位移变化量变大,下部位移受影响较小。     

火灾高温下隧道衬砌结构的变形性能研究

为考察隧道衬砌在火灾高温下的变形性能,利用ABAQUS有限元软件建立了HC基准升温曲线下衬砌环的三维分析模型。分析了隧道衬砌结构在火灾高温下的温度场分布规律,以及钢筋混凝土衬砌结构变形情况。研究了地面超载、土体侧压力系数、火灾持续时间、峰值温度及升温速率对变形的影响。结果表明:地面超载较小时,衬砌拱顶随温度升高而接近围岩,反之则远离围岩;拱腰位移随地面超载的增大而不断增大;土体侧压力系数越大,拱顶越向外移动,而拱腰则越向内移动;火灾持续时间越长、峰值温度越高,拱顶越远离围岩,拱腰越靠近围岩;升温速率对衬砌升温初期的变形影响较大,后期影响不显著。     

回填土钻孔灌注桩-承台混凝土水化作用效应现场试验

混凝土早期水化作用释放大量热量,会引起桩身温度和桩身应力变化,从而影响桩基承载性能。通过开展现场试验,研究回填土地基中钻孔灌注桩-承台混凝土水化热对桩身及桩基周围土体的影响,实测并分析了桩身及桩基周围土体温度随时间、深度的变化规律和桩基应力随时间的变化规律。研究结果表明,试桩混凝土浇筑完成后,0.7 d时桩体不同深度处的温度均达到最大值,21.4d时其温度基本稳定;桩体温度随时间变化规律可分为快速上升、快速下降、缓慢降低和基本稳定4个阶段。承台混凝土水化热效应仅对桩基周围浅层土体温度有一定影响,当深度大于3 m时,其对土体的温度作用效应基本可以忽略。桩基约束应力变化表现为先迅速增长再缓慢下降最终趋于稳定,最大约束应力值与混凝土轴心抗拉强度十分接近。     

寒区土体一维水-热-力耦合模型与数值分析

寒区土体的冻胀融沉特性对结构物稳定带来极大挑战,冻土冻融作用机理的研究对寒区冻融灾害预防具有极其重大的意义。文中通过质量守恒定律以及能量守恒定律建立寒区一维土柱水分场、温度场数值模型,考虑冰水相变引起土体内部应力变化以建立应力场。构建一维非饱和土柱水热力耦合模型,通过与已有研究比对以验证三场耦合数值模型的准确性。研究表明：冻结锋面随冻结时间不断下移。在冻结初期,冻结锋面下移速度较快,在冻结后期冻结速度变缓,且土柱内温度成近似线性分布趋势。土柱内水分场在冻结锋面处出现明显的S形曲线。在冻结条件下,土柱发生竖向的冻胀变形,模拟结果与已有试验数据吻合良好,验证了该模型的合理性以及准确性。     

基于GIS的不同盖层下CO_2释放量随温度场的变化规律研究

城市土体温度场分布受覆盖层性质的影响,而土体中有机质分解速率及CO2释放量随温度变化而变化,因而,盖层性质将会影响土体的CO2释放量。在室内试验确定CO2释放量与温度场变化规律的基础上,通过野外观测站长期观测所得的不同盖层下土体温度场变化规律,建立了不同盖层下土体释放CO2与温度的关系模型;采用ArcGIS对南京大学校区的不同盖层进行分区,并利用CO2释放量与温度的关系模型生成了校区CO2释放量在某一时间段内的空间分布图。同时,分别以城区和郊区同一时段内的野外监测数据应用于研究区,研究了城市热岛效应对研究区土体CO2释放量的影响。     

基于离散元法的温度静力触探贯入与传热研究北大核心CSCD

温度静力触探是一种新型原位测试方法,可同时获取土体的力学和热学参数,为浅层地温能资源勘查提供技术保障。为研究温度静力触探的贯入与传热机理,通过离散元数值模拟实现了离散元模型的建立和试样的力学和热学参数标定。研究分析了贯入过程中的贯入阻力变化、土体应力场、位移场及位移路径;获得了加热-散热过程中探头加热段与隔热段的温度响应规律以及土体温度场演化,并与室内模型试验进行了对比分析。采集的温度变化曲线通过数据解译反演得到了土体的导热系数,为温度静力触探的贯入-传热机理研究及工程应用奠定了理论依据。研究结果表明:贯入过程中,贯入阻力随深度的增加而增加,且土体颗粒位移范围在距锥身B/2内;传热过程中,探头加热60 s,加热段实现了5.5℃的升温;在加热和散热的初期,探头的温度变化最快,与实验结果相同;利用探头散热温度所反演导热系数为0.330 W/(m·K),误差为6.5%,优于加热数据反演结果。     

喷水灭火过程中足尺钢框架房屋温度场试验研究∗

喷水灭火行为引起的火场局部温度骤降,有可能引起房屋结构破坏。为研究火灾及消防过程中温度场的分布和变化情况,设计建造了足尺钢框架房屋,根据实际火灾及消防场景设计火灾荷载和消防系统,模拟了真实火灾下窗户玻璃破碎和喷水灭火对火灾温度场的影响。试验过程中利用热电偶测量火灾及消防全过程的火场温度,得到了火场中不同位置的温度变化曲线。根据试验结果,并结合火灾动力学分析了火场温度的空间分布和变化规律。研究表明:火灾过程中,火场在垂直方向上存在明显的温度梯度,空气温度随高度增加而升高;框架平面沿水平方向越靠近起火点,升温速率越快,能达到的最高温度越高,垂直方向温度梯度越大;玻璃破碎增大了通风口面积,对通风控制型火灾的温度场有显著影响,靠近通风口处温度略有降低,而远离通风口的火场纵深处温度大幅上升;消防喷水能迅速抑制火场燃烧,降低火场温度,降温速率随喷水灭火时间增长而减小;开始灭火的短时间内,火源附近温度骤降,降温速率最高达到391℃/min。     

冷-热循环下能量桩热-力学特性的数值模拟

能量桩与地基土的热交换取决于建筑物的年能源需求,故能量桩每年受到冷-热循环作用。采用多场耦合有限元数值模拟方法,研究在力学荷载和随时间按正弦函数变化的温度荷载共同作用下悬浮能量桩的热-力学特性。结果表明,随着能量桩冷-热周期性的循环,温度荷载引起的桩身附加轴向应力、桩头附加竖向位移和桩侧附加剪应力也随时间周期性变化,且相位与温度荷载曲线的相位相同。桩升温最大时桩身轴向压应力达到最大值,桩降温最大时桩头沉降达到最大值。地基土的温度改变量随时间周期性地变化,其幅值在桩的中部深度附近最大,在桩二端深度附近较小。地基土温度的变化滞后于温度荷载。离桩越远,地基土的温度达到其最大值的时间越滞后。     

饱和砂土热流耦合离心机试验的有限元分析

岩土热流耦合问题十分复杂,而离心机模型试验和有限元数值分析为研究这些问题提供了技术和方法。针对前人的土体热流耦合离心机试验,利用COMSOL多物理场有限元分析软件对饱和砂土中温度引起的自然对流及其相互影响进行分析。总结了传热和渗流下离心机模型与原型的相似法则,说明了自然对流在饱和土体传热中的重要性。分析表明,满足相似比尺的离心机试验和COMSOL数值模型均能正确模拟饱和土体中的热流耦合问题,土体渗透系数对饱和土体的传热有较大影响。     

相变能量桩段模型传热模拟

针对能量桩体材料普通混凝土储热性能差问题,将相变材料引入普通混凝土中构建相变能量桩。利用简化能量桩段有限元数值模型模拟了普通能量桩与相变能量桩的传热过程,对比分析了两者的传热差异;并通过添加不同质量分数相变材料,研究了添加量对能量桩桩体、桩周土传热的影响。研究结果表明:在换热管吸放热工况下,相变材料的添加可在相变温度区间内明显延缓桩体升降温速度;相变材料的添加量越多,升降温延缓作用越明显;能量桩中添加相变材料只对桩体的传热影响显著,对桩周土的温度场影响较小。     

火灾下型钢混凝土异形柱温度场分析

为了分析型钢混凝土异形柱的耐火极限及火灾后的力学性能,为试验研究做好充分的前期准备,本文采用有限元分析软件ANSYS对型钢混凝土异形柱截面温度场进行数值模拟,得出了柱截面在不均匀受火情况下的温度场分布规律。结果表明,在两面受火的情况下,L形柱的凹角处的温升低于其它部位;由于型钢的存在,加快了柱截面内部温度的热传导;距离受火面相同的深度处的混凝土与型钢的温度不同,因此有必要研究损伤差异对承载力和两者粘结滑移造成的影响。     

土与结构接触特性对地下结构地震反应的影响研究

以大开地铁车站为工程背景,采用数值模拟方法,以中柱层间位移角为评价指标,在弹性土体与弹性结构接触、弹塑性土体与弹性结构接触、弹塑性土体与弹塑性结构接触三种工况下分别计算接触面为绑定、接触面摩擦系数为0.2和0.4时的结构地震反应,同时考虑结构-土体的相对模量对接触特性的影响。提取峰值加速度时刻、峰值位移时刻和峰值速度时刻中结构变形程度最大的时刻,将接触面为摩擦设置时的中柱层间位移角与绑定连接条件下的层间位移角数值进行对比分析。结果表明:当材料力学特性不同时,接触特性对结构反应的影响程度也不同。改变结构的埋深,研究不同围岩约束能力下接触特性对地下结构地震反应的影响,结果表明浅埋时接触特性对地下结构地震反应影响程度较大,深埋时影响程度较小,且对于浅埋结构,峰值加速度时刻为结构地震反应最大时刻,对于深埋结构,峰值位移时刻为结构地震反应最大时刻。     

三峡库区高边坡紫色土抗剪强度的水敏性特征∗

为了研究高边坡紫色土的抗剪强度及变形随含水率的变化规律,在不同围压下对不同含水率的非饱和重塑紫色土进行了固结不排水三轴试验。结果表明：在不同的含水率及围压条件下,土体应力-应变关系曲线均呈现出“持续硬化”甚至“加速硬化”现象。其应力-应变关系曲线经历了3个阶段：轴向应变0%~2.3%为弹性阶段,2.3%~4%为应变硬化阶段,4%后逐渐变为屈服阶段。在同一围压下,土体主应力差峰值随含水率的增加而降低,其峰值下降幅度最大可达67.37%。不同含水率下的最大主应力差与围压均表现出较好的线性关系。在给定含水率下,主应力差峰值随围压的增加而明显增大,其峰值增大幅度最大可达150.98%,但随着含水率的升高,这种增大趋势逐渐减小,且围压对紫色土抗剪强度影响约为含水率对其影响的66.63%。随着含水率的增加,土壤的内聚力先增加后减小,峰值处的含水率为12%;而土壤的内摩擦角随含水率的增加呈现一阶线性减小,且下降程度最大可达56.88%。土体任意平面(破坏面)上σ-τ曲线的斜率随着含水率的增加而逐渐减小,而破坏包面逐渐变缓。分析并讨论了含水率对紫色土内部结构、颗粒间作用力及特性的影响,以期为三峡库区高边坡紫色土的综合治理提供理论支持和技术支撑。